автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.09, диссертация на тему:Оптимизация некоторых параметров биотехнической системы "человек-протез руки"

,, « САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

Пи ^ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

о, Г-, .

На правах рукописи

ШАНДОРОВ Платон Валентинович

ШТИМИЗАЦИЯ НЕКОТОРЫХ ПАРАМЕТРОВ БИОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ «ЧЕЛОВЕК - ПРОТЕЗ РУКИ»

'пециальность: 05.13.09 — Управление в биологических

и медицинских системах

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1993

.Работа выполнена в Санкт-Петербургском научно-исследователь ском институте протезирования им. дроф. Г.А. Альбрехта

Научный руководитель:—

академик МИА, доктор технических наук, профессор Ахутин В.М Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Курицкий Б.Я. кандидат технических наук Кузьмин Б. П.

Ведущая организация - Всесоюзный научно-исследовательский и конструкторский институт медицинской лабораторной техники

Защита диссертации состоится & У* 1Ь9Хг. »^^часо

на заседании 'специализированного совёта К 063.36.04 Санкт-Петербургского Государственного электротехнического университета по адресу :К7376, Санкт-Петербург, ул.проф.Цопова,5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан " у^" /'о£ 1993г.

Учёный секретарь специализированного совета

Юлдашэв З.М.

ОБЩМ ХАРАКТЕРИ (ЛИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Реабилитация инвалидов средствами 1ротезирования является одной из важных статей в социальных трограммах развитых стран и на неё ассигнуется значительная тасть государственного бвджета. Тем не менее проблема созда-мя высокофункциональных протезов рук, эффективно заменяющих /траченную конечность, до сих пор не наша оптимального решения ввиду своей чрезвычайной сложности. Особенно остро она зтоит в России, которая в настоящее время занимает первое №сто в мире по травматизму. Ежегодно только на производстве около 15000 человек становятся инвалидами и нуждаются в протезировании (Доклад о состоянии охраны труда в Российской федерация// Мин.труда Р. Ф.,U.,К93г.).

В связи с этим, проблема реабилитации инвалидов с дефектами верхних конечностей, охватывавдая широкий спектр задач, 1вляется весьма актуальной.

Одним из путей её успешного решения является использование биотехнического подхода к разработке и проектированию протезов, который получил "права гражданства'^ 1874-75г.г.в связи с необходимостью создания адаптивных биотехнических систем зргатического типа (В,М.Ахутин, Г.С.Неймарк, В.О.Островский, Б.И.Цйпко, М.М.Хананашвили, Н.Е.Кобринский-и др.).

С точки зрения теории биотехнических систем, инвалида, юльзущегося протезами, можно представить условно, как человека-оператора, управляющего техническим средством - протезом з;ля выполнения им же самим заданного целенаправленного дейст-эия. Такое соединение биологического(инвалид) и технического (протез) элементов в единое целое, взаимодействующее с окружа-пщей предметной средой для удовлетворения своих потребностей, тредставляет собой биотехническую систему "человек-протез" (БТС ЧП), или точнее -"инвалид-протез-среда" (БТС ИПС), являющуюся сдним из вариантов систем класса "человек-машина".

Её оригинальность заключена в том, что контур управления такой системой, в отличие от системы "человек-машина", как бы раздваивается, на макро-контур - "инвалид-лротез-среда", внутри которого функционирует другой, микро-контур - "инвалид-дро-

тез". При этом инвалид является управляпцим звеном, организующим систему для выполнения, заданной целевой функции. Следовательно, исходным пунктом анализа я описания функционирования БТС ИПС должна быть целенаправленная деятельность человека. Такой подход диктует необходимость физиологического и психологического исследования структуры и механизмов его деятельности, Это позволяет определить, какой "ценой" даётся инвалиду управление и пользование протезом, насколько параметры протезе соответсвуют психофизиологическим возможностям инвалида.

Таким образом, уровень физических и эмоциональных затрат инвалида в процессе управления протезом для достижения цели предметного действия, может служить- одним из критериев оптимального функционирования системы.

В доступной нам литературе, до настоящего времени не встретилось результатов изучения этих проблем, в связи с чем и предпринято настоящее исследование.

Цель- работы: исследование биотехнической системы "инвалид-протез-среда" для оптимизации параметров технического звена адекватно психофизиологическим характеристикам инвалида и разработка на этой основе эффективной конструкции мсщуля протеза.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи исследования:

- изучены специфические особенности биологического элемента, как управляющего звена системы,

- проанализированы достоинства и недостатки БТС ИПС с различными типами протезов и на этой основе синтезирована новая функциональная схема системы с комбинированным управлением (по основному и вспомогательному каналу).

- выбраны критерии оптимизации работы системы ИПС,

- проведено математическое моделирование БТС ИПС я оценено соответствие синтезированной схемы выбранным критериям,

- сконструирован и изготовлен орган охвата для протезов плеча и предплечья с улучшенными характеристиками,

- разработан тренажно-мсделируюций комплекс для исследования характеристик БТС ИПС и проведены лабораторные и клинические испытания протезов с разработанным органом схвата.

Метсды исследований.

В основу исследований доложен метод поэтапного моделирования, предусматриаиций поэтапный переход от смешанной биотехнической модели системы ИПС через накопление эксперимента-1ьных данных о биологическом и техническом элементах к математической модели БТС ИПС. Для исследований биообъекта примене-щ биомеханические, физиологические и психологические методист. Этап "управленческого" согласования, параметров элементов выполнен алгоритмическим методом с использованием в качестве фитериев оптимизации специфических характеристик инвалида. 1араметрьг протеза определялись методами, применяемыми яри исследованиях элеятро-механических и электронных устройств. В заботе использован математический аппарат теории вероятностей, латематической статистики, теории общей радиотехники, теории эбщей электротехники, теории машн и механизмов.

Научная новизна исследования состоит в том, что:

- впервые научно обоснован новый способ управления актив-1ым протезом, заключающийся в оптимальном согласовании "управленческих" характеристик инвалида и протеза, позволяющий ми-шмизировать энерготраты БТС ИДС, наиболее полно использовать зенсорные возможности инвалида и повысить функциональный резу-тьтат протезирования,

- раработана математическая модель системы ШС,

- синтезирована новая функциональная схема БТС ИПС с дополнительным каналом управления фиксатором схвата пальцев,

- обоснован алгоритм управления дополнительным каналом, адекватный физиологическим возможностям инвалида,

- предложена новая методика выбора мышцы, управлящей ;ополнительным каналом, с низким уровнем помех,

- определены критерии оптимизации параметров БТС ШС, позволяющие оценить соответствие конструкции и системы уяравле-1ия протезом-психофизиологическим возможностям инвалида,

- разработана новая методика оценки параметров схвата, юзволящая определять точность постановка пальцев на предмет.

Практическая значимость исследования:

- разработаны и внедрены в практическое протезирование протезы с комбинированным управлением, позволяющие уменьшить

физическяе и эмоциональные нагрузки на инвалида при управлении, наиболее полно реализовать его сенсорные характеристики, повысить функциональный результат протезирования;,

- предложенный аналитический метод исследования системы позволяет оптимизировать параметры разрабатываемых протезов по критериям психофизиологического состояния инвалида,

- новая функциональная схема БТС ИДС даёт возможность повысить качество разрабатываемых протезов за счёт введения дополнительного канала управления. Алгоритм управления каналом не вызывает эмоциональной напряжённости, а импульсный режим работы обеспечивает экономичность, позволяет уменьшить габариты я массу внешнего источника энергии (ШЭ),

- разработанный тренажно-моделирущий комплекс позволяет с помощью оригинальных методик получать многопараметрическую оценку качества протезирования и определять адекватность данного проте-за конкретному инвалиду.

Внедрение работы.

Материалы диссертации использованы в плановых НИОКР, проводимых в ШбЕШП при непосредственном участии автора, что нашло отражение в соответствующих отчётах - (Тема: "Модули протезов верхних конечностей с комбинированным управлением"- НИР - № госрегистрации 01500058905 и ОКР ~ й госрегистрации 0I9I0 0II8SI. Тема: "Протез после вычленения плеча электромеханический на базе модульных узлов", ОКР - госрегистрации 0121000 1408. Тема: "Методика оцени качества протезирования детей с дефектами верхних конечностей", НИР - № госрегистрацяи 0I&000 585II).

Протезы, оснащённые искусственной кистью конструкции автора диссертации внедрены в практическое протезирование инвалидов в клинике ШбНИИП.

Публикации до работе.

По теме диссертации опубликованы три работы, получено два авторских свидетельства.

Апробация работы.

Основные положения диссертационного исследования доложены на научно-практической конференции ЛНШП (Ленинград, 138$) и на итало-советском симпозиуме (Москва, IS8S).

Структура и объём работы.

Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, общих выводов, списка литературы, включающего 157 наименований, и шестнадцати приложений. Основная часть работы изложена на 129 страницах машинописного текста. Работа содержит 195 страниц, ¿9 рисунков и 20 таблиц.

КРАГКСЕ СОДЕРЖАНИЕ РЛБОШ

Зо введении содержится обоснование актуальности темы диссертации, сформулирована цель и задачи работы, изложены основные научные и практические результаты и положения, выносимые на защиту.

d первой главе диссертации представлен аналитический обзор отечественной и зарубежной литературы, посвященной проблеме протезирования верхних конечностей. Рассмотрены специфические характеристики инвалида, отличающие его от здорового человека-оператора в эргатических БТС (Казначеев Л.Н., Калични-кова Л.Г.,Кейер А.Н.,Косилов С.А.,Кузавкова H.A..Петелина H.A. Пожадаева Л.М.,SiiczraМ С., С. и других

авторов). Представлены описания различных конструкций протезов верхних конечностей и систем управления (Антипов A.d.,Апштейн 3.ß..Белоусов П.И..Великсон d.M..¿оронцов Ф.С.,Найник d.M., Полян Е.П.,Панков И.В..Руденко Г.Г..Фельдман O.E..Якобсон Я.С., TomovichR.^ito ßtxk и других авторов), проведён их критический анализ. Протезы разных типов имеют множество взаимоисключающих характеристик, что ограничивает возможность оптимального согласования их параметров с инвалидом. Это противоречие является предпосылкой для разработки нового способа управления, сочетающего в себе преимущества того и другого типов протезов.

Показано, что большинство конструкций разрабатывается без учёта основных принципов БТС и вследствие этого обеспечивает меньшую эффективность протезирования,чем предусматривалась их авторами. Инвалиды, при управлении такими протезами испытывают значительное эмоциональное и физическое напряжение. Используя эти изменения его состояния в качестве критериев оптимизации

системы,можно провести адекватное согласование параметров протеза с характеристиками инвалида, сравнить различные конструкции протезов между собой.

2 глава посвящена анализу БТС ИПС с наиболее распространёнными типами протезов и синтезу обобщённой схемы системы с комбинированным управлением.

Функционирование системы с тяговым протезом предплечья осуществляется по двум контурам управления с участием прямых и обратных связей. Непосредственная связь костно-мышечного аппарата инвалида с пальцами искусственной кисти(ИК) посредством тяги придаёт системе высокие сенсорные качества'за счёт кинестетической обратной связи (Белоусов П.И. ,'1962). При этом тяга выполняет роль логического фильтра-преобразователя информации и по изменению усилия на ней при схвате инвалид может ощущать жёсткость предметов. Скоростные характеристики такой системы адекватны физиологическим возможностям инвалида. По этим параметрам БТС ИПС с тяговым протезом отвечает принципам оптимальности эрратических БТС.

В БТС ИПС с ШЭ управление осуществляется так же по двух контурной схеме. Сенсорные качества такой системы значительно нйже чем с тяговым протезом, т.к. отсутствует кинестетическая обратная связь и система обеднена информацией,1968). Электронно-механическая система управления лишает инвалида связи с органом охвата протеза, а скоростные параметры системы определяются характеристиками электропривода и не адекватны скоростным характеристикам инвалида. Расчёт энергозатрат в такой системе показал, что большая часть энергии 1ИЭ (более 80$) расходуется на подготовительные к охвату операция, т.е. система работает неэкономично.

Критический анализ параметров рассмотренных систем был положен в основу разработанного способа управления активным протезом, в котором управление основными функциями протеза осуществляется с помощью тяг, а вспомогательные или дополнительные функции реализуются от анергии внешнего источника.

Способ иллюстрируется синтезированной функциональной схемой БТС ИПС с комбинированным управлением. Управление протезом с активным охватом осуществляется по основному каналу по-

средством тяги- Это обеспечивает системе высокие сенсорные и скоростные качества, адекватные возможностям инвалида, /правление фиксатором пальцев происходит по дополнительному каналу от мышечного толчка, за счёт энергии внешнего источника. Кон-' тур управления дополнительным каналом не требует обратной связи по воздействию, так как работает по принципу "включено" "не включено", что упрощает процесс управления. В этой системе инвалид можэт дозировать усилие схвага по необходимости, что снижает его энерготраты при манипуляциях предметами, не требующими больших усилий.

Такое построение функциональной схемы БТС ИПС учитывает основные принципы биотехнических систем: принцип адекватности и принцип единства информационной среды и позволяет наиболее эффективно использовать "управленческие" характеристики инвалида.

3 глаза посвящена математическому моделированию системы ЖС. Весь цикл предметного действия разбит на фазы: "поиск", "схват", "фиксация"'и "удержание". Эти фазы имеют свою внутреннюю логическую завершённость, чёткую последовательность, свой, характерный, состав афферентных к эфферентных сигналов управления. В каждой фазе действий инвалид/ приходится решать слезную задачу слеяэнкя в многомерном пространстве со следующими составляющими: уf z. - координаты положения ИК в пространстве,

i - скорость движения по каздой из координат, cty Д. У - координаты ориентации ИК в пространстве,

Zi " координаты положения предмета в пространстве, ~ координаты ориентации предмета в пространстве, а, - расстояние между пальцами ИК и предметом, А - выборка тяги,

й. - скорость смыкания пальцев при схвате, У/ - усилие, прилагаемое для управления протезом, Уг - усилие, прилгаемое инвалидом для управления ИК, У^ - усилие, прилагаемое для управления фиксатором, X, Хг - зрительная обратная связь(ЗОС),

)Са - проприоцептивно-тактильная обратная связь(ПТОС), X,. - кинестетическая обратная связь(КОС).

При таких условиях аналитическое описание работы БТС ИПС в конце фазы схвата, являедейся основной, в процессе манипулирования предметом может быть записано следующим основным уравнением :

X

(Ж)

0

1

а =о

(Зое)

У, -

у еои,^,

У3 = о;

и -«¿,1 -О 1/3 - А) =0 1Г-Г/1 -о

Из основного уравнения могут быть получены аналитические описания работы БТС ИПС для различных фаз предметных действий, а также для биологического и технического элементов системы. Например для инвалида с протезом плеча, оснащённым искусственной кистью с комбинированным управлением(рас.1), (для наглядности рассмотрение ведётся в двумерной системе координат), осно-

а =0 I V х3 -еомИСИГОС);

¿=0 \(*ос) ц --еоиН^,

Рис.I. Схема взаимодействия с предметом в БТС ИПС с протезом плеча, оснащённым ИК с комбинированным управлением.

-s-

вное уравнение, связывающее параметры инвалида, протеза и среды принимает вид:

. Где: У» - усилие на пальцах ПК, ¿лу - к-т передачи усилия, \ ¿пп - к-т передачи по перемещению.

Этал "управленческого" согласования параметров элементов БТС ИПС выполнен алгоритмическим методом с использованием в качестве критериев оптимизации специфических характеристик,инвалида. При этом основное уравнение позволяет составить алгоритмы работы инвалида по фазам предметных действий.

Существует три основные формы деятельности оператора: афферентная, характеризующая его сенсорные возможности, эфферентная - физические и логическая, обозначающая логические условия выполнения задания. Алгоритмический метод позволяет количественно проанализировать психофизические особенности деятельности инвалида с помощью вышеперечисленных показателей.

Описание членов алгоритма для БТС ИПС с протезом предплечья, их психофизическое содержание и оценка приведены в табл.1.

. По данным таблицы I можно составить алгоритмы управления для любой фазы предметных действий. Например для фазы охвата, выполняемой БТС ИПС с комбинированным управлением, типичный

вариант алгоритма запишется следующим образом:

В работе представлены типичные варианты алгоритмов управления различными типами протезов по фазам предметных действий. Анализ предметной деятельности БТС ИПС, проведённый на основе полученных алгоритмов, позволил произвести оптимизацию параметров системы по критериям психофизиологического состояния4 инвалида.

¿ir. ЧЛ*НЙ ЯЛГОр<7«*

■■Я/Л гТ-nj

лТГ л!1

Cnicanie членов адгсрятма

т t Психе£«э*ологнчеекол !Вэрочтвсстя!К-во кн-

! Ьизм i еотвр»«н9в ! «гасксз !fopí"ija

i > f I ! О rtss.es.) ------!_!_1__

£тз*гов&нке предмета по ксордкнетея 3T!<t¡"0>m" предмета по углу Ьлзл;скбк*« ЯК по лоорзинэтид SiSífcMKse ИК по углу

"командч !!Ч перемещение ПК .>гэггагнле ПК с Сольиой еяеррспг

'[Л? с мллпЯ скоростью "rBwm'íKíp координат Ccs^ajTHíT углов

Удеpretue ИХ и гйрякяет полегши Оуияч! 5«са протева (предмета) ^lyírecíHlF/KOMlima на остакозку 'Знутренняч"хе?<а-мдг ка Сх2й? Ш?£рованке paccToiHJft ""ЛК-лред^г?4 Оделяя пзлытэв ИХ .Ь^уенлэ усаллч на тяге пря схеатг С^/а^яяе сллы схвата я пергмез.тягя Удерт.агае тяг» при схватв

,Зн/тгеннчч,,комавда на фдксацяю

Слловое ЕомеЯотвие на кех-м фгыедн Сцуцепяе «левого воздгйотвм Сгсусумгл« пру*я»у схвата ЯК

/дер^княе тягл при раскрнтах пальцах ПК Гпсстсяндг МХ-лредотт" sejUKo Коогдлнати по у, г согмес:г.кы Угли Д Г cobwbiii Достигнут КОМТР-КТ с преднетсм Усллчя схвата достаточно ЛреДМ=!Т Е /К

Слксацчч npoíscruia

А

А*!

*J (

S^.A^ ( W& I !

У. !

e'Kfi.r) \ QV

v/itr «£>

Iхс,

Сел. ^

W f> ¡

r? i <£%> i

C", ! !

f, ! во,«, г] | ¿V4A // í <?c í

£c*

Spit.iosap.SOO-I SOO-I 300-2 30C-2 Мотгвэдм Дшамачеемя вагруака

!

Стчтгчевяая нагрув1«

ПТОС-I I

Кэт«КИ

Ерят.воепр.ЗСС-1,2

Д5.»;к:чест натрут

-г

КО&203-Г+300-2 Статическая кагрувяа I

Мстпееи ! !

Статпегкая вагрувка [ ПТС-0-2 !

кое !

Ста?2ч;ск8Я иагруакз ! ! (

¡Янфориапст по вр»- ! 1/2 ! 1/2 !

! тельно-прострвнст- ! 1/2 ! 1/2 !

¡векяеВ opiwsrai ! 1/2 ! 1/2 !

Г! га Cv5T ! Т/2 Í 1/2 !

! i КООЗОС-ЗЧЗОС-? ! 1/2 Г VI I

[¡Сжия.оуп-ияа лчук! 1/3 ! I/Í !

)"дгт;рм./ко?.гчлр;ек1!1 ! 1/2 ! 1/2 '

Брею ! Зыоц. ! ®1мч.! (с) Isanpa. líanpu. Шрапчакаа I (бышЫбшсОГ _!_I_I_

I г/3 !

t г/з i

! г/3 !

i г/э i

2 1

2 I

3 ! 2 ! 3 3 I

!1В mn t (xalcrnu !!i а кон-Ице I

3 I

2 I 2 !

3 I 3 ! 2 I

!

! VV ! O.VI.O ! V3/4 ! ! 3/3/4 ' ! 2/5 ! ! 2/2 ! ! 3 ! 0,1/3,0 ! 3/3 ! 0.1/3/0 ! 2/4 I г г/4 ! I/J

! I

! 2

! 3

• г/1

• г/5 ! а/5

У4/2

а/4/2

V4 г/4

1/5

ект/дас/£И

тят/ИЭ акт/вас

КСТУР/деияС

мт/яас

тяг/ШЭ

Таблица

I. Описание членов алгоритма управления БТС ИДС пря взятии и переносе предмета.

Произведённые расчёты показали, что БТ.С ИПС с комбинированным управлением за счёт КОС и непосредственной связи кост-но-мышечного аппарата с исполнительными механизмами обеспечивают лучщ/ю динамическую интенсивность работы, сравнительно с другими типами протезов и приближаются к скоростной напряжённости работы здоровых лкщей. Процесс управления в такой системе менее других подвержен стереотипу и доцускает большую вариацию реакций на свойства предметной среды, а эмоциональная а физическая напряжённость состояния инвалида нижа. Полученные количественные психофизиологические характеристики свидетельствуют, что применение разработанного способа управления протезом улучшает качественные показатели БТС ИПС и отвечает принципу оптимизации работы оператора в системе.

Энергетическая оптимизация системы проводилась путём минимизации функционала:

Где минимальный расход энергии в системе,

¿1 ъ - затраты физической энергии человека,

¿Е&и) - затраты энергии внешнего источника, £ - в^емя выполнения предметного действия.

Расчёты показали, что общий расход энергии в системе с комбинированным управлением значительно снизился и составил 0,156 Вт.е. Протез ПР2-45, конструкции Руденко, требует для своего функционирования 0,653 Вт.е., широко распространённый протез ПР2-Г7 с пассивным охватом - 2,892 Вт.с., а протез с электроприводом ПР2-27 -2,4 Вт. с.

Таким образом показано, что БТС ИПС с комбинированным управлением, несмотря на подключение ВИЭ,требует для своего функционирования наименьшего общего количества энергии, сравнительно с другими системами и является оптимальной по -энергозатратам.

4 глава посвящена выбору оптимальных источников управления дополнительным каналом фиксатора. Определены требования к выбору источников сигналов управления, датчикам съёма сигналов, а так же величины управляющего сигнала и его ломехозащи-

щённсти. Приведена оригинальная методика исследований содружественной биоэлектрической активности усечённых мышц при пользовании тяговым протезом.

Установлено, что оптимальными являются двуглавая и трёхглавая мышца плеча а поверхностные сгибатель а разгибатель кисти (уровень помех соответственно 30, 35, 22 и 25$ к величине управляющего сигнала). Выбор той или иной мышцы производится в зависимости от состояния культи, уровня ампутации и конструктивных особенностей гильзы протеза.

Материалы исследования и их статистическая обработка позволили определить уровень ограничения сигнала помехи в дополнительном канале управления. С вероятностью 0,95 для указанны: мышц он составил соответственно: 350, 500, ПО и ПО мкВ.

В 5'главе изложена конструктивная реализация модуля искусственной кисти. Разработка проведена на базе синтезированной функциональной схемы БТС ИПС с комбинированным управлением и исследований её математической модели. Описана работа исполнительного механизма кисти, устройства электронно-механической фиксации пальцев и электронных узлов системы управления.

Особенностью конструкции является двухкоцтурная система управления исполнительным механизмом. Это позволило наиболее эффективно реализовать положительные качества, присущие тяговым протезам и решить проблему фиксации пальцев яри активном схвате с наименьшими энергетическими затратами.

Разработанный модуль кисти допускает активное сведение дельцав и развитие дозированного усилия охвата на предмете, яри натяжении управляющей тяги. Фиксация пальцев при схвате осуществляется электронно-механическим устройством от ВИЭ. расфаксация пальцев происходит при натяжения управляющей тяги, яри этом потребление энергии внешнего источника не происходит. Включение механизма фиксация осуществляется от блэлектрическо-го сигнала управляющей мышцы при её одиночном сокращении.

Система управления устройством фиксации разработана на базе широко применяемого в протезировании усилителя биопотенциалов УШ-72. С целью экономил энергии источника и. снижения его разрядного Применена импульсная схема с накопитель-

ным конденсатором:Г длительностью.^ишульса 8мс. Это позволило

использовать малогабаритный аккумулятор, увеличить его ресурс работы без подзараядки, повысить автономность и косметичность протеза.

6 глава освещает исследования эффективности функционирования БТС ИПС с протезом, оснащённым модулем искусственной кисти с комбинированным управлением. Приведён обзор методов исследований, применяемых при оценке качества функционирования эргатических БТС и в протезировании. Обоснован выбор адекватных методик для получения многокритериальной оценки БТС ИПС. Дано описание специально разработанного для этой цели тренаж-но-моделирующего комплекса (ТМК) (Рис.2).

ЬЛОК МЦАНХЛЦИМ

MGP

ЗАПИСЬ го а

Рис.2. Функционально-блочная схема ТЖ.

Комплекс позволяет контролировать следующие параметры системы: -функциональный результат протезирования, -точность постановки пальцев на предмет (собственная методика), -напряжённость состояния инвалида при работе протезом по критерию НСР .(напряжённости сердечного ритма), -психологическую нагрузку и процесс обучения управлению протезом по критерию КГР (кожно-гальванической реакция).

Исследования на ТМК по выбранным критериям оценки показали повышенную эффективность разработанной конструкции модуля искусственной кисти относительно других конструкций. Получено удовлетворительне соответствие результатов измерений параметров реальной БТС ИПС с теоретическими расчётами на математической модели- системы.

В заключительной 7 главе представлены результаты лабораторных испытаний искусственной кисти с комбинированным управлением в составе протеза и клинических испытаний.

При проведении лабораторных испытаний реальной конструкции было выявлено соответствие её параметров расчётным. Длительность импульса фиксации составляет 8мс. Напряжение срабатывания - 5,3-5,8 В., в зависимости от жёсткости пружины. Ток, потребляемый электромагнитом в рабочем режиме составил -700800 мА.(для разных образцов). Величина выборки тяги для взвода фиксатора - 4' мм.

Клинические испытания искусственной кисти в составе протеза проводились в клинике института на 13 инвалидах, снабжённых кроме экспериментального, серийными протезами. Приведены выписки из истории болезни, представлены протоколы испытаний на ТМК. Результаты испытаний показали, что испытуемые легко осваивают новый алгоритм управления протезом, отмечают удобство пользования и обслуживания. Протезы позволяют инвалиду дозировать силу охвата, ощущать жёсткость предметов, обеспечивают чув.ство "слитности" с протезом. Для управления требуются небольшие усилия* При сравнительной оценке инвалиды отдают предпочтение разработанной конструкции протеза.

-15-ВЫВСЩЫ

1. Применение методов системного проектирования, на базе теории биотехнических систем, позволило при разработке новой конструкции модуля искусственной кисти протеза, найти путл оптимизации параметров технического звена БТС ШС адекватно психофизиологическим характеристикам инвалида и повысить эффективность функционирования системы в предметной среде.

2. Положительные результаты работы достигнуть благодаря математическому моделированию предметной деятельности протезированных инвалидов, с учётом влияния на эту деятельность прямых и обратных связей, действующих в системе и количественной оценки состояния с помощью психофизиологических коррелятов* Это подтверждено оъёктивной оценкой результатов протезирования на специально разработанном, для этой цели, тренаано-моде-лирунцем комплексе и субъективной оценкой протезированных инвалидов.

3. Впервые в протезировании показана возможность применения интегральной оценки соответствия протеза организму инвалида в реальных условиях, при выполнении предметных действий

на основе критериев психофизиологического состояния (НСР) и (КГР).

4. В качестве одного из важных показателей, характеризующих степень адекватности протеза организму инвалида, предложен энергетический критерий, позволивший оптимизировать обще затраты энергии в системе, необходимые для управления протезом при выполнении предметных действий

5. Критический анализ существующих протезов верхних конечностей, с учётом психофизиологических особенностей инвалидов, позволил разработать принципиально новый способ управления протезом, существенно повышающий эффективность протезирования за счёт адаптации протеза к индивидуальным свойствам данного инвалида.

6. К промежуточным результатам работы относится разработка новых методик: оценки точности постановки пальцев на предмет и выбора оятимальн й управляющей мышцы в дополнительном канале, а так же создалле тренажно-моделирувдего комплекса, для многокритериальной оценки предметной деятельности ЕГО ЖЕ С.

СШСОК РАБОТ, ОЛУБШКОВМШХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. П.В.Шавдоров. Искусственная кисть с активным охватом // Протезирование и протезостроение: Сб.тр./ ЩЩЩ1.-М.-1989. -Вып.86.-С. 94-98.

2. П.В.Шандоров, А. В. Антипов, Е.Г.Подкодаев. Комбинированное устройство управления искусственной кистью с активным охватом // Актуальные вопросы современного протезирования и протезостроения: тез.докл. юбилейной научно-практ. конф.-Л,-IS8S.-C. 20-21.

3. В.Г.Петров, С.Ф.К/рдыбайло, И.В.Панков, П.В.Шавдоров, Л.Н.Пенская. Метод оценки эффективности протезирования детей с дефектами верхних конечностей // Протезирование и протезостроение: Сб.тр./ ЦНИШШ.-М.-I9S2.-Вып.91.-С.94-97.

4. А. с. 1503796 СССР AI ASI Г 2/56//А 61 Г 2/70. Способ управления активным протезом / А.Н.Кейер, П. В. Шандоров. (СССР). -Й4304293/28-14: Заявл. 07.09.87: Опубл. 30.08.8S, Бш.№32. -2с. :ил.

5. А.с. 1475651 СССР AI ASI Г2/70//А 61 Г 2/56. Устройство для фиксации шарниров протезов / П.В.Шандоров, А.В. Антипов, Е.Г.Подколаев. (СССР).-M332034/28-I4:Заявл.21.09.87:Опубл. 30.04.8S, Бкл. №16. -2с:. ил.

ИНВЭК0.3.81е.Т.100.3Л2.9Э

Формат 60x84 I/I6 Уч.-изд. л. 1,0 Бесплатно